Der Anteil an Tunneln in Japan, die 50 Jahre und älter sind, wird 2023 voraussichtlich bei 34 Prozent und 2033 bei 50 Prozent liegen. Neben den konventionellen Inspektionsmethoden durch qualifizierte Fachkräfte wird erwartet, dass Firmen im Bereich der Infrastrukturüberwachung und -steuerung den Einsatz von neuen Technologien vorantreiben und dabei auch den Fachkräftemangel auffangen. Eine wirtschaftlich effiziente und vorausschauende Wartung in Tunneln kann z.B. sensorbasiert erfolgen. Mit der Einführung von objektiven und quantitativen Inspektionsmethoden auf der Grundlage von Sensorinformationen sollen so datengesteuerte, hoch zuverlässige und zukunftsfähige Infrastrukturwartung zum Standard werden.
Drahtlose und automatisierte Zustandserfassung
Die Kyoto University forscht seit vielen Jahren im Bereich der drahtlosen Energieversorgung durch elektromagnetische Wellen. Obwohl die technologische Entwicklung soweit abgeschlossen ist, ist sie durch die Vollzugsordnung für den Funkdienst nur schwer in die Praxis umzusetzen. Im März 2017 wurde das Demonstrationsexperiment „Drahtlose Energieversorgung für Elektrofahrzeuge“ und im Mai desselben Jahres das Experiment „Drahtlose Energieversorgung für batterielose Sensoren“ durchgeführt. Die beiden Projekte gaben Aufschluss über die Vorteile und Schwachstellen der drahtlosen Energieversorgung und trieben die Bemühung um die praktische Implementierung voran. Daraufhin erhielt die Universität in Zusammenarbeit mit der Präfektur Kyoto eine Lizenz, um das System der National Strategic Special Zone zu nutzen. In der Folge fand ein Demonstrationsversuch im Jizo-Rettungstunnel in Miyazu statt.
Entwicklungs-Support aus der Industrie
Um den Ausfall von schweren Zusatzgeräten wie Strahllüftern für den Rauchabzug zu überwachen, die an der Tunnel-Tragstruktur angebracht sind, wurde ein rekursives Infrastruktur-Monitoring-System entworfen, das Fernerkundungsdaten in Echtzeit sammelt, während es Strom von einem Fahrzeug an einen Sensor überträgt. Dieses System wird im COI-Programm der Kyoto University genutzt und wurde auf Grundlage von Forschungsergebnissen des Technologiekonzerns MinebeaMitsumi entwickelt. Es baut auf eine Kombination der elementaren Technologien in den Bereichen drahtlose Energieversorgung durch Mikrowellen, Highspeed-Bildsignalverarbeitung und batterielose Axialkraftsensoren, die umgehend lose Schrauben erkennen.
Aufbau der Sendetechnik und Sensorik
Die drahtlose Mikrowellen-Energieübertragung kann Strom aus der Ferne auf ein Empfangsgerät übertragen. Hierbei spielt die Übertragungseffizienz eine entscheidende Rolle. Daher weist der Übertragungsabschnitt des Versuchssystems eine flache Antenne auf, die aus 48 speziell angeordneten Elementen besteht. Die elektromagnetischen Wellen werden so zu einem Strahl geformt und abgestrahlt. Zudem arbeitet MinebeaMitsumi aktuell an Verbesserungen der Übertragungseffizienz an Empfängergeräten. Der batterielose Schrauben-Axialkraftsensor auf der Empfängerseite umfasst zudem einen kompakten, hochempfindlichen Dehnungsmessstreifen mit extrem geringem Stromverbrauch. Gemeinsam mit der Übertragungsantenne wird so für eine niedrige Energiebilanz auf Systemebene gesorgt. Das Überwachungssystem soll es ermöglichen, effizient und wirtschaftlich bei laufendem Verkehr ohne Beschränkungen für die Allgemeinheit die Tunnelinfrastruktur zu prüfen.
Vorbereitungen für den Praxistest
Am Ein- und Ausgang des Tunnels wurden elektromagnetische Abschirmungen angebracht, um zu verhindern, dass Funkwellen aus dem Tunnel austreten können. Am verbreiterten Abschnitt beim Durchgang vom Haupt- zum Rettungstunnel wurde ein Simulationssensor, der einem Schraubensensor ähnelt, an einem Pfosten angebracht, um zu prüfen, ob der Positionsmarker vom Visionsensor während der Fahrt erkannt und verfolgt werden kann. Zudem konnte so die vom Simulationssensor empfangene elektrische Feldstärke (Empfangsleistung) über eine drahtlose 10W-Mikrowellen-Energieübertragung bestätigt werden. Des Weiteren wurde die Gültigkeit der Daten von der Straße-zu-Fahrzeug-Kommunikation (Rückkopplung von Erfassungsdaten an das sich bewegende Fahrzeug) bestätigt. Durch die Erfassung und Auswertung der experimentellen Daten kann eine Reihe von Vorgängen des Infrastrukturüberwachungssystems während des laufenden Verkehrs umfassend überprüft werden.
Welleneffekt und Zukunftspläne
Indem die Mikrowellen-Energieübertragungslösung der Universität Kyoto praktisch angewendet wurde, wurden den Vorteilen und dem Potential der Übertragungstechnologie international Aufmerksamkeit zuteil. In Zukunft sollen Produkte aus diesem Bereich weltweit Anwendung finden. Selbst wenn man nur den Anwendungsbereich der Infrastrukturüberwachung betrachtet, besteht nicht nur in Tunneln, sondern auch bei Brücken, asphaltierten Straßen, bei Abwasserrohren oder an Steilhängen die Gefahr, dass alterungsbedingte Unfälle und Schäden erhebliche Auswirkungen haben. Daher soll nun in Zusammenarbeit mit dem Wireless Power Transfer Consortium for Practical Applications (WiPoT) und dem Broadband Wireless Forum (BWF) proaktiv an der Gesetzgebung und der Standardisierung für die neue drahtlose Energieübertragung und die technologischen Entwicklungen in diesem Bereich gearbeitet werden, um eine nachhaltige Infrastruktur zu fördern.
